基于证据权法与确定系数法的滑坡危险区划对比分析——以虹口乡为例

刘光辉，刘汉湖*，姚 昆，夏 洁

(成都理工大学 a.地球科学学院，b.国土资源部地学空间信息技术重点实验室，成都 610059)

基于证据权法与确定系数法的滑坡危险区划对比分析
——以虹口乡为例

刘光辉a,b，刘汉湖a,b*，姚 昆a,b，夏 洁a,b

(成都理工大学 a.地球科学学院，b.国土资源部地学空间信息技术重点实验室，成都 610059)

都江堰虹口乡为国家级旅游景区，汶川地震后，该区滑坡频发，极大威胁该地区游客及居民人身财产安全，开展该地区滑坡危险区预测具有重要意义。这里以地质图、地形图、DEM高程数据、QuickBird影像为数据源，选取地层岩性、构造、高程、坡度、坡向、水系6个评价因子，基于GIS平台，用证据权法、确定系数法对研究区滑坡危险性分析方法进行对比分析，得出最优的滑坡危险区划研究方法。分析表明：确定系数法的准确率为0.7732，而证据权法的准确率为0.7216。经过野外的调查、研究，确定系数法预测的危险性区域与实际情况更加地吻合，有着较高的精度，因此确定系数法更加适合虹口乡的滑坡危险区划研究。

证据权法； 确定系数法； GIS； 滑坡

0 引言

滑坡是一种十分常见的地质灾害，合理的滑坡预测方法能增加预测的准确性，降低滑坡造成的危害，减少生命财产的损失[1]。现在主要的滑坡预测方法分为三类：①知识驱动方法；②数据驱动方法；③确定性方法[2]。这里选择的证据权法与确定系数法都是数据驱动方法。证据权法[2-6]最早用于医疗诊断，后由加拿大数学地质学家Agterberg引入地质领域。确定系数[7-9]最早是由E.H.Shortliffe和B.G.Buchanan提出，后由D.Heckerman进行改进用在灾害评价中。两种方法均为数学的概率学模型，在GIS栅格分析功能[10-11]的支持下，计算出每个评价因子的权重值。证据权法是需要得到每个评价因子的正、负权重值，通过正、负权重的叠加来获取评价因子的最终权重值。确定系数法是利用一个概率函数直接计算出每个评价因子的权重值，且这个权重值的值域是[-1,1]。前人在滑坡危险性区划研究中并没有对确定系数法与证据权法进行预测准确率的对比分析，这里以虹口乡为研究区，分析出证据权法与确定系数法在虹口乡这种地形复杂，地质条件特殊，滑坡灾害频发的地区，该方法有更高的滑坡预测精度。证据权法与确定系数法，更加地适合虹口乡的滑坡危险区划研究。

1 数据

虹口乡位于四川省都江堰市东北的白沙河中游，东接彭州市，南连向峨乡、金凤乡、白沙乡，西南靠龙池镇，西北和北邻阿坝州汶川县(图1)。研究区内水系单一，水网密集，在地形上中间沿河流起伏较小，向两侧坡度变陡。在地质构造上，受龙门山断裂带的影响，虹口乡沟谷发育，坡陡坡长，厚层砂岩及厚层砾岩场形成后陡坎或陡崖，斜坡稳定性较差，规模不大的崩塌、滑坡比较发育，处于断裂构造部位有大型的滑坡或崩塌。虹口乡在地形，地质，地貌等条件上都容易诱发滑坡，特殊的地质条件导致虹口乡成为地质灾害的多发区，其地质灾害主要以崩塌和滑坡为主。

图1 虹口乡滑坡区域位置图Fig.1 Location map of Hongkou landslide area

本次滑坡的危险性区划研究数据包括：1∶50 000 地质图、1∶50 000 地形图、ASRGTM 30 m空间分辨率数字高程模型、Quickbird影像。

2 研究方法

2.1 证据权法

证据权法是一种综合各种证据来支持一种假设的定量方法，该方法以贝叶斯统计模型为基础，通过对已经发生的滑坡与影响滑坡形成的影响因子( 坡度、坡向、地层岩性等) 进行空间关联分析，求取各个评价因子对滑坡发生的贡献率( 即权重) ，最后将各个评价因子赋予相应权重并叠加，得到地质灾害危险性指数，该指数高低代表该区发生地质灾害可能性的大小。其计算公式如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

Wf=W+-W-

(3)

2.2 确定系数法

确定系数法是一种结合确定性系数(CF)来分析影响滑坡发生的各个因素敏感性的方法。确定系数法是一种利用概率函数的方法，其计算公式见式(4)。

(4)

式中：PPa为影响因子分级中事件发生的条件概率，在这里可表示为影响因子各级范围内滑坡发生的栅格数与所有栅格数的比值；PPs为整个研究区内事件发生的先验概率，表示为研究区内滑坡发生的栅格数与研究区总栅格数的比值。

2.3 评价因子

基于前人研究及历史滑坡数据的综合分析[12-15]，主要选取断裂带、地层岩性、水系、坡度、坡向、高程6个评价因子。并将各个评价因子分成不同的等级，见表1。

3 结果分析

3.1 权重计算

为便于权重的计算，将研究区的评价单元分成5 m×5 m的栅格，再根据证据权法和确定系数法分别计算出每个评价因子的权重值，计算结果见表2。

3.2 危险性指数计算

因为证据权法和确定系数法都是数据驱动方法，利用概率方法建立模型进行运算，每个评价因子之间必须满足条件独立性的假设。计算之前首先验证各个评价因子两两之间的独立性。这里选用的是卡方(X2)检测方法对各个评价因子进行独立性检测。检测结果表明评价因子之间均满足独立性条件。利用GIS的空间分析功能将各个评价因子进行加权分析，得到每个评价单元的危险性指数(LHI),其计算公式如下：

表1 评价因子及属性分级

表2 滑坡危险性权重计算表

LHI=Wf岩性+Wf水系+Wf坡度+Wf高程+

Wf坡向+Wf断裂带

(5)

LHI=CFf岩性+CFf水系+CFf坡度+

CFf高程+CFf坡向+CFf断裂带

(6)

运用证据权法将6个评价因子按照公式(5)进行计算，得到滑坡的危险性指数的范围是-4.958～7.1。而运用确定系数法将6个评价因子按照公式(6)进行计算，得到滑坡的危险性指数范围为-3.391～2.605。

滑坡危险性评价的成功率检验采用成功率曲线法，这是一种定量的滑坡检测方法(图2)。在图2中AUC曲线下面积越大，说明滑坡评价单元危险性指数越高，即模型预测效果越好。由图2可以计算出，证据权法的曲线下面积为72.16，确定性系数法的曲线下面积为77.32。由此可知，虹口乡的滑坡危险区划研究中，确定系数法预测的结果要比证据权法预测的结果成功率高。

图2 成功率曲线图Fig.2 Success rate curve of landslides hazards

3.3 危险性分区

根据证据权法与确定系数法两种方法计算得到的综合危险性指数，将研究区滑坡危险性指数分为极高、高、中、低4类，并统计每类滑坡的面积百分比(表3)。

从表3可以看出：证据权法分析结果表明极高危险区面积百分比为21.7%，滑坡面积的76.8%分布在高危险区与中危险区；确定系数法分析结果表明高危险区所占的比例为31.3%，滑坡面积的80%分布在高危险区与中危险区。在研究区的滑坡危险性区划研究中确定系数法的精确度高于证据权法，下面给出确定系数法的滑坡危险区划的分区图(图2)。研究区总共解译出滑坡117处，极高危险区有34处滑坡，占滑坡总个数的29%，高危险区有53处滑坡，占总滑坡个数的45%。

表3 证据权法与确定系数法危险区划对比图

图3 研究区确定系数法危险性分区图Fig.3 Risk zoning map of the study area determin-ation coefficient method

4 结论

滑坡预测准确率直接影响生命财产安全，针对不同区域的不同地形、地质、地貌的特点，滑坡的预测应采用适合的评价模型提高预测准确率。这里选取证据权法、确定系数法2种研究模型，对研究区域滑坡危险性区划进行研究分析。这2种方法都是数据驱动方法，在各个评价因子选择及权重赋值的过程中有效地减小人为影响。研究结果表明：

1)滑坡的分布与水系、坡度、岩性有着明显的关系。滑坡在距水系小于400 m时，水系对滑坡的影响较大，占总滑坡数的65.2 %，特别是在100 m～300 m之间影响最大，占总滑坡数的34 %。坡度对滑坡的影响在30°～40°之间时影响最大，其滑坡数量占总滑坡的65.7%。从图3可以看出，在图3的左面滑坡分布较多，该处岩层风化厚度较大，坡度主要为30°～40°，且大多斜坡为顺层斜坡，其滑坡数占总滑坡的77.9%。

2)在研究区的分区结果中，高危险区、中危险区所占面积较大，证据权法、确定系数法分析结果面积百分比分别达到76.8%和80%，证据权法的高危险区所占比例为21.7%，确定系数法的高危险区所占比例为31.3%，在高危险区确定系数法的预测准确率明显高于证据权法。

3)由成功率曲线法得到确定系数法的准确率为0.773 2，而证据权法的准确率为0.721 6，从成功率曲线可以看出，在危险系数从10%～40%之间，确定系数法的曲线明显的高于证据权法，预测出的滑坡数确定系数法比证据权法多。确定系数法的预测结果成功率相较于证据权法更高，从整体分析确定系数法更加适用于研究区的滑坡危险区划研究。

[1]PARISE M,JIB SON R W.A seismic landslide susceptibility rating of geologic units based on analysis of characteristics of landslides triggered by the17 January,1994 Northridge,California earthquake[J].Engineering Geology,2000,58(3/4):251-270.

[2]范强,巨能攀,向喜琼,等.证据权法在区域滑坡危险性评价中的应用——以贵州为例[J].工程地质学报,2014,03(17):124-129.FAN Q,JU N P,XIANG X Q,et al.Landslides susceptibility assessment using weights of evidence in the Tongzi watershed,China[J].Journal of Catastrophology,2015,30(17):124-129.(In Chinese)

[3]王志旺,李瑞有,王湘桂.证据权法在滑坡危险度区划研究中的应用[J].岩土工程学报，2007,29(8):1268-1273.WANG Z W,LI D Y,WANG X G.Zonation of landslide hazards based on weights of evidence model[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2007,29(8):1268-1273.(In Chinese)

[4]张艳玲,南征兵,周平根.利用证据权法实现滑坡易发性区划[J].水文地质工程地质,2012,39(2):121-125.ZHANG Y L,NAN Z B,ZHOU P G.Division of landslide susceptibility based on weights of evidence model[J].Hydrogeology & Engineering Geology,2012,39(2):121-125.(In Chinese)

[5]许冲,戴福初,徐锡伟.基于GIS平台与证据权的地震滑坡易发性评价[J].地球科学：中国地质大学学报,2011，36(6):1155-1164.XU C,DAI F C,XU X W.Earthquake triggered landslide susceptibility evaluation based on GIS platform and weight of evidence modeling[J].Earth Science-Journal of China University of Geosciences,2011,36(6):1155-1164.(In Chinese)

[6]许冲,徐锡伟,于贵华.基于证据权方法的玉树地震滑坡危险性评价[J].地震地质,2013,35(1):151-164.XU C,XU X W,YU G H.The Yushu earthquake triggered landslide hazard evaluation based on weight of ecidence method[J].Seismology and Geology,2013,35(1):151-164.(In Chinese)

[7]许冲,戴福初,姚鑫.基于GIS与确定性系数分析法的汶川地震滑坡易发性评价[J].工程地质学报，2010,18(1):15-26.XU C,DAI F C,YAO X.Study on Wenchuan earthquake-induced landslide susceptibility evaluation based on GIS platform and certainty factor analysis method[J].Journal of Engineering Geology,2010,18(1):15-26.(In Chinese)

[8]刘丽娜,许冲,陈剑.GIS支持下基于CF方法的2013年庐山地震滑坡因子敏感性分析[J].工程地质学报，2014,22(06):1176-1186.LIU L N,XU C,CHEN J.Landslide factor sensitivity analyses for landslides triggered by 2013 lushan earthquake using GIS platform and certainty factor method[J].Journal of Engineering Geology,2014,22(6):1176-1186.(In Chinese)

[9]许冲,戴福初,姚鑫.基于GIS的汶川地震滑坡灾害影响因子确定性系数分析[J].岩石力学与工程学报,2010,29(SI):1-9.XU C,DAI F C,YAO X.Gis based certainty factor analysis of landslide triggering factors in WenChuan earthquake[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(SI):1-9.(In Chinese)

[10]温守钦,李仁锋,任群智.GIS技术在地质灾害区划中的应用[J].中国地质,2005,32(3):512-517.WEN S Q,LI R F,REN Q Z.Application of GIS technology in the regionalization of geological hazards[J].Geology in China,2005,32(3):512-517.(In Chinese)

[11]戴福初,李军.地理信息系统在滑坡灾害研究中的应用[J].地质科技情报,2000,19(1):91-96.DAI F C,LI J.Applications of geographical information systems in landslide studies[J].Geological Science and Technology Information,2000,19(1):91-96.(In Chinese)

[12]陈晓利,冉虹流,祁生文.1976年龙陵地震诱发滑坡的影响因子敏感性分析[J].北京大学学报,2009,45(1):104-110.CHEN X L,RAN H L,QI S W.Triggering factors susceptibility of earthquake-indueced landslides in 1976 Longling Earthquake[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,2009,45(1):104-110.(In Chinese)

[13]郭芳芳,杨农,孟晖,等.地形起伏和坡度分析在区域滑坡灾害评价中的应用[J].中国地质,2008,35(1):131-143.GUO F Fang,YANG N,MENG H,et al.Application of the relief amplitude and slope analysis to regional landslide hazard assessments[J].Geology in China,2008,35(1):131-143.(In Chinese)

[14]陈晓利,邓俭良,冉虹流.汶川地震滑坡崩塌的空间分布特征[J].地震地质,2011,33(1):191-202.CHEN X L,DENG J L,RAN H L.Analysis of landslides triggered by wenchuan earthquake[J].Seismology and Geology,2011,33(1):191-202.(In Chinese)

[15]兰恒星,伍法权,周成虎.基于GIS的云南小江流域滑坡因子敏感性分析[J].岩石力学与工程学报,2002,21(10):1500-1506.LAN H X,WU F Q,ZHOU C H.Analysis on susceptibility of GIS based landslide triggering factors in Yunnan Xiao jiang watershed[J].Chinese Joumal of Rock Mechanices and Engineering,2002,21(10):1500-1506.(In Chinese)

Based on the weights of evidence method and certainty factor method of landslide danger division comparative analysis——A case study in Hongkou,chine

LIU Guang-huia,b,LIU Han-hua,b*,YAO Kuna,b,XIA Jiea,b

(Chengdu University of Techndogy,a.College of Eong sciences;b.key Laboratory of Geological spatial Information Technology of Ministry of Land and Resources,Chengdu 610059,China)

Hongkou township in Dujiangyan is a national scenic spot.After Wenchuan earthquake,landslides frequently occur in this area,which greatly threatens personal and property safety of tourists and residents there.Thus,it becomes significantly important to develop forecast to the landslide dangerous area of this region.This article based on GIS platform,takes geologic map,topographic map,DEM elevation data,QuickBird image as data sources,selects 6 evaluation factors of stratigraphic lithology,structure,elevation,slope,slope direction and water system,applies to weight of evidence method,determination coefficient method to make comparative analysis to the analytical methods of landslide dangers in research area and find out the best research method to landslide risk area.The analysis shows that,accuracy rate of determination coefficient method is 0.7732,while weight of evidence method has 0.7216 accuracy rate.After field research,the risk area predicated by method of determination coefficient can match practical situation more with high accuracy.Thus determination coefficient method is more fitness for the research of landslide risk area in Hongkou Township.

weights of evidence; certainty factor; GIS; landslides

2015-10-28 改回日期：2015-12-03

国家自然科学基金(41102225)

刘光辉(1988- )，男，硕士,主要研究方向为遥感地质，E-mail：lghyaogan@126.com。

*通信作者：刘汉湖(1978-)，男，博士，副教授，主要研究方向为遥感地质，E-mail：Liuganhu@cdut.cn。

1001-1749(2016)06-0848-06

TU 431